多功能全双工光纤通信综合实验系统的设计

EngineeringJournalofWuhanUniversityVol.37No.4Aug.2004

文章编号:1671󰀁8844(2004)04󰀁105󰀁05

多功能全双工光纤通信综合实验系统的设计

赵󰀁淼,黄光辉,董天临

(华中科技大学电子与信息工程系,湖北武汉󰀁430074)

摘要:介绍了一种新颖的以相对低廉的成本构建的可以提供全面训练的光纤通信实验系统.详细介绍了光发

送、光接收电路和单片机与微机的串行通信控制接口.此外,还阐述了一种利用虚拟数字存储示波技术使实验结果可视化数字化的设计思想,可以低成本解决用普通实验仪器难以实现的实验项目.

关键词:光纤通信;全双工通信;虚拟仪器;计算机接口中图分类号:TN29󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

Designofmulti󰀁capabilityfullduplexopticalfiber

communicationlabkit

ZHAOMiao,HUANGGuang󰀁hui,DONGTian󰀁lin

(DepartmentofElectronicsandInformationEngineering,HuazhongUniversityof

ScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

Abstract:Anovelopticalfibercommunicationlabkitwithrelativelylowcostandall󰀁aroundtrainingabilityisintroduced.TransmittingandreceivingcircuitsandserialcommunicationandcontrolinterfacebetweenPCandmicrocontrolleraredescribedindetail.Italsosetsforththedesignideatakingadvantagesofvirtualdigitalstorageoscillatingtechniquetomakethetestresultsmorevisualizedanddigitized,withwhichcertainexperi󰀁mentitemsthatcouldhardlyberealizedusingpopularoscillatorbecometriablewithlowexpense.

Keywords:opticalfibercommunication;fullduplexcommunication;virtualinstruments;computerinterface

󰀁󰀁目前,光纤通信的研究和商品化发展十分迅速,但相应光纤通信基础教学手段却一般仍限于单一的教材方式,究其原因,主要是因为以前光器件比较昂贵,所以这方面的实验平台很缺乏,但如今随着光器件商品化的迅猛发展,信息社会对光纤通信[1]的普及教学提出了更多、更具体的要求,同时许多关键光器件的成本也已经降到可以接受的水平,在这种条件下我们研制出一种全双工多功能光纤通信综合实验教学平台.该系统主要通过连接计算机串行接口,通过全双工光纤通路实现双机通信或者自回路通信,并用计算机作为用户终端支持

虚拟示波器观察模拟信号或者数字信号的发送与接收,为教学对象提供了光纤通信器件、光通信电子电路以及计算机接口技术实验与测试等软硬件综合训练,使教学对象在方便快捷的环境下了解光纤通信的各种构成.此外,该系统还具有良好的扩充性,在系统软件界面上给出了用户软件接口,高级用户可利用用户软件接口运行自编软件进行实验过程控制和进一步的实验数据处理.

1󰀁系统结构

该系统主要由实验箱和控制台软件组成,实验

收稿日期:2003󰀁01󰀁28

作者简介:赵󰀁淼(1977󰀁),女,河南开封人,博士研究生,主要从事高速网和光纤通信网络的研究.

106武汉大学学报(工学版)2004

箱包括光纤发送电路、光纤接收电路、微控制器及其接口电路、光纤收发组件以及电源模块等,控制台软件主要包括用户控制台(主要控制字符串、码流、编码流和文本文件的发送与接收)、虚拟数字存贮示波器和用户软件接口.性能指标如下:

发送光功率:LED输出光功率约70󰀁W;接收光功率:投射到PIN的光功率约300nW;

图).

接收灵敏度:0.5󰀁A/󰀁W左右;

虚拟示波器带宽:44kHz采样,可清晰观测9.600kBps串口通信;

硬件通道带宽:高于串口最高传输速率115kBps;

用户终端数:可同时供两个实验者独立实验.系统主要结构见图1(此为一个通道的示意

图1󰀁系统结构示意图

2󰀁硬件部分

2.1󰀁光发送

本系统采用的光发送器件是Agilent生产的HFBR󰀁1414光电器件,它内部有AlGaAs制成的LED发光二极管,出射光波长为820nm,频谱宽度为30nm;并有多种光纤接口,如50/125󰀁m,62.5/125󰀁m和100/140󰀁m.它的P󰀂I曲线的线性度好,用它制成光纤连接器既适用于模拟型,又适用于数字型.HFBR󰀁1414的发光效率高,能保证在小的驱动电流下工作,因此能耗低,稳定性好.与本系统选用的62.5/125󰀁m光纤相连接时,在正向电流IF=100mA,T=25C时,输出光功率可达-10dBm,即100󰀁W.

只要在LED加上正向电流,LED就可工作发光,其典型P󰀁I曲线如图2所示,简单的LED驱动

o

电路如图3所示.其中Rs为限流电阻,当Rs为调节电阻时,调节Rs改变回路电流,即可改变LED的发光强度.但是这个简单驱动电路并不安全,缺少正向偏置电流、电压保护等.根据LED的电气

图3󰀁LED的简单驱动电路图

特性,进一步设计的驱动电路如图4所示,该驱动电路使用了两个技术来提高LED性能.当逻辑输入Vin为高电平时,与非门U1C,U1D,U1B的输出均为逻辑 1!,三极管Q截止,电阻R4为LED提供一个预偏置电流.这个很小的预偏置电流可以减小LED的延迟失真,同时提高LED的线性以便能够使用频率补偿电路(R3,C),频率补偿电路的目的是缩短LED发光的上升/下降时间.如果没有预偏置和频率补偿电路,HFBR󰀁1414典型的光脉冲上升时间约为12ns.而加了这两个电路后,上升时间降为3ns.

Q是一个廉价高速三极管,该三极管使LED的预偏置电流不受R1,R2的影响.Q集射极间的电容量随电流成反比变化,结果使LED断开的电图2󰀁LED的P󰀂I曲线图

󰀁第4期赵󰀁淼等:多功能全双工光纤通信综合实验系统的设计107

流峰值大于导通时的电流峰值,这正好有利于减小由于LED导通容易断开难固有特点所造成的光脉冲宽度失真.驱动电路的元件参数由下式确定:

VCC-VFONVCC-(VEON+VCEO+VOLU1)

IFON=+

R4R1R2/(R1+R2)

(1)

当输入Vin为低电平时,Q导通,通过LED的电流依式(1)表示为两项之和:通过R4的电流和通过R1,R2并联的电流,由于R1,R2很小(之所

以取并联是为了在小电阻上分流功率及容易精确匹配阻值),所以通过LED的电流主要由R1,R2决定.

当输入Vin为高电平时,Q截至,通过R1,R2

并联的电流很小可以忽略不计,通过LED的电流由式(2)计算.

当IF取100mA时,电路参数为:R1=R2=300󰀂,R4=1k󰀂,C=30pF.为减小电源干扰,需在LED的电源端进行电源滤波,最简单的方法就是加上0.1󰀁F~10󰀁F的滤波电容,如图4所示.

IFOFF=

VCC-VFOFF

R4

(2)

以上两式中,IFON,IFOFF,VFON,VFOFF分别表示LED导通和断开时的电流和相应的电压降,VCEO表示三极管Q在LED导通时相应的集电极到发射极的电压降;VOLU1表示与非门集成块U1的3个与非门在输出为逻辑0时的并联输出阻抗产生的对地压降.

图4󰀁HFBR󰀁1414的驱动电路图

2.2󰀁光接收

光电转换把光信号转换成电信号,是光电检测

的第一环节.光接收部分的灵敏度主要取决于光电检测的灵敏度,而光电检测部分的噪声又主要来源于光电转换和前置放大器输入端的噪声.如何提高光接收的灵敏度、降低输入端的噪声是光电转换的主要问题.

目前光纤系统用的光电二极管主要有两种:一是光电二极管(PIN管),另一种是雪崩光电二极管(APD管).PIN管的频带宽,可达10GHz,响应时间短,光电线性度较好,是实验装置中较理想的光电探测器件.本系统采用的是PIN作为光电转换器件,不足之处是PIN管输出电流小,一般为零点几微安至数微安,对前置放大和电磁屏蔽提出了较高要求.

光电探测器对前置放大器的要求通常从三方面考虑:一是要求信噪比高;二是要求被测信号无频率失真;三是要求信号传输功率最大.对于微弱[2]

光电信号前置放大器,由于信号小、输入信噪比甚低,所以需要采用低噪声放大器.对于低噪声放大器的设计应考虑噪声水平和放大器的增益及带宽.对于放大器带宽的确定,则要与噪声一起综合考虑.因为噪声电压的平方与等效噪声带宽成正比,而等效噪声带宽又与信号带宽成正比,因此,过于提高放大器带宽将使噪声增加.

PIN管具有恒流源特性,内阻很大,且饱和光电流与输入光通量成正比,因此采用高阻负载有利于获得大的信号电压.但如果将这种处于反向偏置状态下的光电二极管直接接到实际的负载电阻上,则因阻抗的失配而削弱信号的幅度.所以需要用阻抗变换器将高阻抗的电流源变换成低阻抗的电压源,然后再与负载相连.光电转换电路如图5所示.

根据光电二极管的光电特性及其与运放电路的连接,并考虑到与反馈电阻相并联的电容极小(小于1pF),故转换电路的输出为V0=-IRf=108武汉大学学报(工学版)2004

-Rf∀S∀E,式中S为光电二极管的光电灵敏度,E为光照度,Rf为运放的反馈电阻.LED输出的光功率约为70󰀁W,经光纤和传感器等环节后,实际能投射到PIN的光功率约为300nW.如果PIN光电二极管的灵敏度为0.5󰀁A/󰀁W,为了使光电转换器输出电压为0.75V,则必须取反馈电阻Rf为5M󰀂.

本系统选用Agilent公司生产的HFBR󰀁2416

光接收器件[3],它内部含有PIN光电二极管、低噪声前置放大器和阻抗变换的射随器,如图6所示.光接收器内部包含一个单块直流耦合的数字集成电路接收器,在此接收器内还有一个集电极开路的肖特基输出晶体管.这种光接收器的特点是:屏蔽集成光检测器具有非常高的抗电磁干扰的宽带直流放大器.肖特基箝位集电极开路输出的晶体管容易与普通逻辑电路接口,集电极开路输出可达18V.

󰀁图5󰀁光电转换与前置放大原理图󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁图6󰀁HFBR󰀁2416内部结构示意图

󰀁󰀁根据HFBR󰀁2416的电气特性,只用外接少量的元件就可组成光电转换电路,其电路如图7所示.值得注意的是,为了提高接收灵敏度和降低接收器对电磁干扰的敏感度,接收器电源必须从有噪

声的系统电源中隔离出来,最常用的方法就是加上LC电源滤波电路,以防止电源噪声进入HFBR󰀁2416及后级电路,影响系统性能.

图7󰀁HFBR󰀁2416光电转换和光电检测电路图

󰀁󰀁由于信号经过传输和光电转换后不但会引起

衰减,而且会引入噪声,为了保证后级电路的正常工作,一般在光电转换电路之后进行信号的放大和整形.因此在光电转换后,通过限幅放大器对信号幅度进行限幅放大.如果想进一步抑制噪声、提高系统的信噪比,还可以在限幅放大后加入比较器,输出理想逻辑电平的脉冲信号提供给后级逻辑电路.本系统的最高频率只有100kHz上下,一般的集成运算放大器和电压比较器的带宽很容易满足.

由于放大电路和电压比较器电路比较简单,所以不再详述,其原理框图如图7所示.2.3󰀁单片机控制及其通信接口

为了灵活地控制信号的传送、变换与观测,在全双工光纤通信的每一个通道上都加入了单片机微处理器控制电路.单片机利用其专有串行接口与计算机进行异步串行通信,而利用其I/O口输出数字信号帧码流的取样,以供虚拟数字存贮示波器测量帧信号.另一方面,单片机也接收计算机控

󰀁第4期赵󰀁淼等:多功能全双工光纤通信综合实验系统的设计109

制命令帧,根据其指令在某些特定的I/O口上产生特定频率和占空比的方波信号,送给模拟电路模块产生方波、脉冲波、三角波和正弦波等,这些模拟信号再送回光纤收发通道,就可以进行光纤通信模拟特性的测试.这些功能的稳定性、可扩充性是建立在精心设计的单片机与计算机控制软件通信协议基础上的.由于单片机与计算机是基于异步串行通信,所以通信协议的控制帧就采取与串行通信相同的帧,控制的命令只包装在串行帧的数据部分中,起始标志、停止标志以及校验都由串行通信协议完成,我们只需仔细定义帧中数据部分的含义.

基于此,当单片机接收到一帧时,首先判断是控制帧还是数据帧,然后进行相应动作.其主要操作流程如下:

(1)如果是控制帧,则分析其含义:如果是数据传送或者码型变换命令,则设置适当的参量以记下这些命令,供以后使用;如果是模拟信号控制命令,则将输出I/O口切换到方波信号I/O口,设置指定的频率和占空比,以送给模拟信号生成电路;

(2)如果是数据帧,则根据先前收到的控制命令作出以下操作之一:#存贮并再等待接收;∃直接向后转发;%对已接收数据序列编码并向后转发.

要的用户控制界面,例如发送输入(二进制码流、字符串或文件),发送方式(单次、循环),发送周期,接收显示格式等.

虚拟数字存贮示波器则作为有别于串口接收的模拟接收方式,用于显示数字的帧码流波形或模拟的光纤通信模拟特性波形,例如帧序列或者P󰀁I曲线,它是利用计算机声卡的LineIn输入进行双通道A/D转换,再由软件存贮显示.由于一般声卡采样频率不超过44kHz,所以此软件示波器带宽低于44kHz.但由于此实验系统不是以进行高数据量、高速率的数据传送实验为目的,而是以观测光纤通信的具体传输特性为目的,低的光信号变化反而有利于观测,实际表明,此带宽已经足够观测9600Bps的串行传输帧.

4󰀁结束语

通过以上描述,可以看出,实验系统低成本、高训练性的特殊要求,使得日益低廉、可靠的光器件和虚拟数字存贮示波器成为构建此光纤通信实验系统的关键元素.而此系统的软件部分,则提供了相当灵活的交互手段和易改进特性,在此通信系统中,凡是物理层对之透明的部分,都可以在软件上不断改进,以适应具体的教学情况,使之更加灵活、稳定、高效.参考文献:

[1]󰀁董天临.光纤通信原理和新技术[M].武汉:华中理

工大学出版社,1998.

[2]󰀁刘卫东,刘延冰,刘建国.检测微弱光信号的PIN光

电检测电路的设计[J].电测与仪表,1999(4):28󰀁30.[3]󰀁李春燕,董天临.接插件HFBR2416在光接收器中的

应用[J].国外电子元器件,2001(11):18󰀁19.

3󰀁软件部分

上位机控制软件作为用户接口,主要包含了三

个部分:底层的通信接口,高层发送输入控制和接收显示控制,以及虚拟数字存贮示波器.

底层通信接口与前面所提到的单片机通信接口相对应,也包含数据格式定义、控制格式定义和命令解释程序.

高层发送输入控制和接收显示控制包含了主